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해빈 모형 구현을 위한 지상용 레이저 스캐너와 RTK-GPS의 자료 획득
이형석1※⋅김인호2
Data Acquisition using Terrestrial Laser Scanner and RTK-GPS for Implementation of Beach Model
Hyung-Seok LEE1※⋅In-Ho KIM2
요 약
해안 침식에 따른 해안선 변화를 모니터링하기 위해 해빈의 표면 자료를 획득하기 위한 다양한 방법들이 적용되어 오고 있다. 본 연구는 지상용 레이저 스캐너와 RTK-GPS를 활용하여 해빈 지 형을 구현하여 구축할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다. 지상 레이저 스캐닝을 실시하여 20cm 측점 간격으로 취득된 3차원 자료와 수치 사진으로부터 화상이 피복된 수치표면모형을 생성하였 다. 또한 7개월 후에 동일 지역을 1초 수신 간격의 RTK-GPS를 이용하여 직접 측정하여 1.9cm의 측량 정확도로 해빈 모형을 구현하였다. 계절적으로 많은 변화가 예상되는 해빈 지역에 즉각 대응 적이면서 양호한 결과를 요하는 측정일 경우는 지상용 레이저 스캐너의 활용이 가능하며, RTK-GPS는 해빈 모형의 측점수와 관계가 있어 측점을 직접 관측해야 하는 애로사항이 있지만 지상용 레이저 스캐너에서 발생하는 사각지대를 보정하면서 3차원 모형을 구현할 수 있다. 따라서 동해안 해빈의 지역적 특성을 고려할 때 RTK-GPS와 지상용 레이저스캐너의 조합 활용하여 해빈 모형 자료를 구축하는 것이 보다 정밀한 방법일 것이다.
주요어 : 해안침식, 해안선, 해빈 모형, 지상용 레이저스캐너, RTK-GPS
ABSTRACT
Various methods have been employed for acquiring beach surface data, which are used to monitor shoreline changes due to beach erosion. This study explores the possibility of constructing and implementing a surface model of beach using data acquired with a terrestrial laser scanner and RTK-GPS. Digital images and three-dimensional data of beach areas acquired at 20 cm intervals using a laser scanner were used to create a digital surface model
2008년 12월 22일 접수 Received on December 22, 2008 / 2009년 3월 9일 수정 Revised on March 9, 2009 / 2009년 3월 24일 심사 완료 Accepted on March 24, 2009
1 한중대학교 토목환경공학과 조교수 Assistant Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Hanzhong University 2 강원대학교 건설방재공학과 조교수 Assistant Professor, Dept. of Constructional Disaster Prevention Engineering, Kangwon
National University
※ 연락저자 E-mail : [email protected]
covered with digital image. Seven months later, the beach area was surveyed using an RTK-GPS, and another beach model was constructed using the data collected with an accuracy of 1.9 cm. The use of a terrestrial laser scanner is expected to ensure acquisition of good quality results and help deal with seasonal changes in beach areas. Because readings obtained with the RTK-GPS are dependent on the number of sampling points in beach model, difficulties are encountered when fixing the survey points. However, RTK-GPS could be used to implement a three-dimensional model by correcting the hidden parts in images obtained using a terrestrial laser scanner. Therefore, an RTK-GPS and a terrestrial laser scanner can be used in combination to obtain more precise data for the construction of beach model data KEYWORDS : Shore Erosion, Shoreline, Beach Model, Terrestrial Laser Scanner, RTK-GPS
서 론
해안 기후 및 자연 환경 변화와 대규모의 연안 구조물 건설 등과 같은 인위적인 환경 변 화들이 해안 수변 공간에 복합적으로 작용하면 서 특히 해안 침식이 가중되고 있다. 좁고 긴 광범위 지역인 동해안 해빈은 겨울철에는 침식 되고 여름에는 모래가 퇴적됨에 따라 평형을 이루었으나 그동안 해안 주변의 인공 구조물 등이 점차 들어서면서 평형 자체가 파괴되어 동해안 북측은 퇴적이 되고 남측은 침식되는 불규칙한 현상이 발생되고 있다.
기상 이변과 난개발로 지난 몇 년 동안 동 해안 연안 해역에서의 침식 피해가 빠르게 확 산되어 백사장이 사라지고 있는 지역이 있어 해안 침식에 대한 근본적인 해결대책 마련이 시급하다. 또한 지방자치단체의 각종 건설 계 획으로 해안 지역의 준설 및 구조물 설치가 수 시로 이루어지기 때문에 해빈의 변화량을 주기 적으로 파악해야 한다. 이에 국토해양부는 연 안모니터링체계를 구축하여 전 국토의 해안선 변화를 지속적으로 감시하고 있지만 일부 해안 지역에 국한되어 있는 실정이다.
해안 지역을 대상으로 진행된 해안 자료 획 득 방법들을 살펴보면 우선 해도를 사용하는 경우로서, 4개의 연도별 해도를 이용하여 해안 과 해전의 변화 정도를 분석하였고(양인태 등,
2002), 6개의 제작 연도별 해도 자료를 활용하 여 금강 하구둑 축조 전 후 4개의 구간에서 지 형을 분석하여 수심 변화와 퇴적 구간을 파악 하였다(신문섭 등, 2006). 또한 낙동강 하구역 사주간의 이격 거리와 사주 면적 변화량을 산 출하기 위해 1927년 이후의 6개의 수치해도 사 용에 대한 결과 값의 분석과 활용의 한계성을 제시한 바 있다(유창일 등, 2006).
수십년(1971～2005)간 6개의 항공촬영사진을 비교하여 후포항 주변 해안선의 장기 변화 양 상을 고찰하였다(박일흠과 이영권, 2007). 일반 사진자료와 3개의 항공사진 분석을 통해 진하 해수욕장 일대의 방사제 축조 이전과 이후 상 황을 비교 및 해빈 발전 양상을 예측하였다(김 성득 등, 2008). 광양만의 해안선, 면적량 및 수 심 변화량을 산출하기 위해 각각 4개의 종이해 도 및 항공사진을 이용한 바 있다(김종규 등, 2007). 항공사진을 이용하여 낙동강 하구 울타 리 섬의 장기간의 해안선 변화율을 관측하였고 (김백운 등, 2007), 카메라 촬영 시스템 1대를 이용하여 조간대 지역의 상대적인 수심을 관측 하였다(김태림, 2006). 정사항공사진을 이용하 여 해안선 추출과 지형 변화를 분석하였고(양 지연과 최철웅, 2006; 최철웅과 김영섭, 2001), 침식된 해안선 변화를 관측하였다(최철웅 등, 2005; 최철웅과 김형석, 2001; 정승진 등, 2004;
황규남, 1997; 편종근 등, 2000; 조주환 등, 2001; 최철용 등, 2002; 이창경 등, 2007).
3차례의 수준측량 결과를 경년 변화 추출기 법을 이용하여 해안의 모래 유동을 해석하였고 (최철웅 등, 1995), 현장 측량을 실시하여 학동 해빈의 계절적인 단면 변화를 분석하였다(함계 운 등, 2002). 비디오 영상 모니터링 기술을 이 용하여 시간별 해수와 육지의 경계면으로 해안 선 추출 및 변화를 분석하였다(김태림, 1998;
김태림, 2003).
3년간의 광학 및 SAR 자료로부터 해안선을 추출하고 수준측량 자료를 내삽함으로써 조간대 지역의 DEM을 생성하였다(류주형 등, 2000).
부산광역시 5개 연안 해역을 대상으로 RTK-GPS와 항공사진, 위성영상을 이용하여 해안선의 정성적 분석과 시계열적 변화량을 분 석하였다(이재원 등, 2007). GPS 기법을 이용 하여 해운대 사빈 지역 자료를 획득하였고(홍 현정 등, 2006), DGPS를 이용하여 강릉시 연 안의 해안선 변화를 고찰하였다(이형석과 김인 호, 2007).
3차원 해저지형의 원시 자료 획득의 경우 GPS와 음향측심기 조합에 의해서 해저면의 위 치 및 수심을 측정하였다(김가야 외, 2006).
한편 해안선 자료 수집에 항공 LiDAR의 활 용성을 제시하였으며(이재원 등, 2007; Gibson, 2006; 위광재와 정재욱, 2006), 항공스캐닝 자 료에 의해 추출된 해안선을 GPS 차량측량시 스템과 비교하였다(Stockdon 등, 2002). 하지만 강원도 동해안 연안의 경우 항공 LiDAR 촬영 은 군사적 위치, 촬영 기간 및 비용적 측면에 서 볼 때 주기적인 관측에는 사실상 많은 제약 조건이 발생할 수 밖에 없다. 특히 해빈 지역 이 주변의 항만 및 해운 건설 공사에 따라서 시계열적으로 변하고 있는 상황에서 변화에 따 른 즉각적인 대처와 반복적인 관측은 사실상 어렵기 때문이다.
이에 반해 지상용 레이저 스캐너에 대한 활 용으로는 도로 모델링 자료 등을 취득하여 도 로 선형 정보를 추출하거나(김진수, 2007), 터
널 단면을 노출하였지만(노태호 등, 2008) 해빈 자료 획득에는 사용되지 않았다.
이와 같이 해안선 변화와 해빈 지역의 전체 적 침식 및 퇴적 상태를 주기적으로 파악하고 시계열적으로 분석하기 위해서는 해빈 지역의 체적을 산출하는 것이 중요하다. 해빈의 특성 에 맞는 정확한 실태 분석에 필요한 해빈 지역 모형을 구현하기 위해 최신의 자료 획득 방법 들이 적용되어 오고 있다. 해빈 지역의 3차원 점(point) 자료 획득을 위해 일반 측량 기법을 사용할 수 있으나, 폭이 좁고 긴 거리의 대규 모 지역의 경우는 시간 및 경제적으로 많은 어 려움이 예상되므로 해빈의 지형적 특성을 고려 하여 동시에 다량의 측점 자료를 취득할 수 있 는 측정기법이 필요하다.
따라서 본 연구는 강릉시 강문항 주변의 강 문 해수욕장을 선정하여 해안선 변화에 따른 해빈의 이동 및 변화를 신속하게 관측하기 위 해 지상용 레이저 스캐너와 RTK-GPS를 이용 하여 해빈 지형의 원시 자료를 획득하고 3차원 수치지형모형을 구현함으로써 해빈 자료 추출 에 대한 활용 가능성을 제시하고자 한다.
지상용 레이저 스캐너와 RTK-GPS의 해빈 지역 관측
1. 대상지역 선정
본 관측 대상 지역은 그림 1과 같이 강원도 강릉시의 강문 해수욕장 일대로 최근 급격히 해빈지역의 침식이 일어나고 있는 약 200m 구 간의 범위이며, 해안 사구 지역이었던 강문 지 역은 횟집상가 촌이 형성되어 있으며 관광개발 을 위하여 해안도로까지 건설되어 있다. 특히 횟집상가의 주차장을 확보하기 위하여 도로 전 면의 해측으로 양빈을 실시하였지만 고파랑에 의한 침식은 가중되고 있다.
a) 관측 대상지의 위치 및 전경
b) 수치지형도(1:5,000)상의 관측 범위 (약 200m 구간)
FIGURE 1. 연구 대상지역 2. 지상용 레이저 스캐너 관측
지상용 레이저 스캐너는 넓은 지역의 지형 및 광산측량, 건축물 및 구조물 관측 등의 분 야에서 사용되고 있는데, 본 연구에 사용된 관 측 장비는 TOPCON Imaging Station(IS)으로 서 그 모습과 제원은 표 1과 그림 2와 같다.
터치 드라이빙 기능 및 그리드 스캔 기능을 병 행하여 연속 모드를 사용하면 최대 20Hz(20점/
초)로 측정이 가능하며 스캔 범위는 최대 250m이다.
TABLE 1. Image Station(IS)의 제원
구 분 내 용 스캔모드 속도 최대 20 pts/sec 스캔 측정범위 1.5m～250m 스캔 정도 ±5mm m.s.e 카메라 센서 2색 수치 영상 센서
화소수 1.3M 픽셀
카메라 해상도 1280×1024
각 정확도 1″, 3″
무타겟모드 정도 ±5mm
FIGURE 2. Image Station(IS)(TOPCON사) IS의 토털스테이션(Total Station) 기능을 이 용하여 지상기준점과 레이저스캐너 관측점의 좌표를 관측하여 연속적으로 스캐닝의 자료 값 을 연계할 수 있다. 하지만 IS가 국내에 도입 된 제품이 아닌 시험용으로 준비되어 지상용 레이저 스캐너의 사용 시간이 제한된 관계로 지상 기준점과는 일치시키지 못하였고, 본 연 구는 그림 3과 같이 강문항의 해빈 지역에 기 계점의 좌표를 임의로 설정하여 두 차례의 연 속 관측만으로 연계하여 임의 좌표계로 설정되 었다.
FIGURE 3. 1, 2차 측정 지점의 연계 및 범위 해빈 관측은 2008년 3월 28일에 실시하였고, IS를 이용하여 스캔 자료를 취득하는 방법상의 절차로는 IS onboard 소프트웨어인 “TopSURV”
가 탑재되어 있다. 그림 2와 같이 내장된 카메 라(130만 화소) 이미지로 대상 지역을 살펴본 후, 스캐닝 설정을 위해 격자 스캔은 지상 20 cm 간격으로 된 영역을 지정하여 두 부분의 구간으로 나뉘어 소프트웨어 상에서 연계시킬 수 있도록 완료하였다.
촬영하고자 하는 측정 범위와 3차원 자료 처 리 부분들은 그림 4와 같이 기계 상에서 확인할 수 있다. 그림 4의 1차 및 2차 부분처럼 디스플 레이에 시준방향의 이미지가 표시되고 시준한 위치에 범위와 스캐닝 조건들을 입력해주면 본 체가 자동 회전하여 3차원 점 자료를 획득하게 된다. 촬영한 화상 상에서 특징점을 자동 추출 하여 자동 측정을 실시할 수도 있다. 각 부분당 약 20～30분 정도의 시간이 소요되었고 취득된 스캔 자료를 USB로 내보내기하였다.
a) 1차 부분
b) 2차 부분
FIGURE 4. 스캐닝 작업과 동시에 확인되는 격자 간격
3. RTK-GPS 측량
RTK-GPS 측량은 그림 5의 GPS 측량시스 템을 사용하여 2008년 11월 2일에 실시하였다.
실측 중 타원체(local ellipsoid)는 GRS 1980로, 투영법(projection)은 TM 129으로 설정하였다.
그림 6과 같이 해빈의 모형은 3월보다 비교적 완만한 경사의 형태를 이루고 있었다. GPS 위 성 관측 자료는 1초 간격으로 수신하도록 설정 하였고, 실측된 점 자료는 약 5,000개 정도이며 종․횡방향으로 평균 1.1m 정도의 간격으로 격자 형태로 분포되었다. 지형의 요철(凹凸)이 나 경사가 있는 부분들은 점 간격을 조밀하게 관측하여 해빈을 부드럽게 표현하였다.
FIGURE 5. RTK-GPS (Leica System 1200)
FIGURE 6. RTK-GPS 측량 전경(2008.11.2)
해빈 모형 생성 및 분석
1. 레이저스캐너 관측 자료 분석
관측된 자료는 Topcon Image Master ver.1.1 소프트웨어를 이용하여 처리 및 분석하 였다. 그림 7과 같이 여러 방향에서 점 자료의 획득 상태를 확인할 수 있었으며, 이러한 점 자료 중 관측시 생성된 불필요한 노이즈들, 즉 그림상에서 보면 좌상단 부분에서 보여지는 필 요 부분외의 지역 자료들(전봇대, 건물, 차량 등)을 삭제함으로써 그림 8과 같이 3차원 등고 선을 구현할 수 있었다.
a) 1차 부분
b) 2차 부분
FIGURE 7. 부분별 격자 관측된 점 자료
FIGURE 8. 불필요한 점 자료를 삭제하여 통 합된 전체 지역
또한 점 자료의 시각적인 이해를 도모하기 위해 그림 9와 같이 등고선도와 불규칙삼각망 도로 표현할 수 있었으며, 그림 10과 같이 스 캔시 촬영한 수치 사진을 완성된 3차원 수치모 형에 질감으로 피복시켜 해빈 지형의 실제적인 상태로 표현시킬 수 있었다. 단지 수치사진의 화소가 저해상도이어서 다소 세밀하게 해빈 지 형을 표현하기에는 부족하였다.
a) 등고선
b) 불규칙삼각망(TIN)
FIGURE 9. 점 자료의 3차원 지형 표현
FIGURE 10. 촬영 영상을 질감으로 표현한 3 차원 해빈 모형
상기와 같이 구성된 3차원 측점, 등고선, 불 규칙삼각망 자료를 캐드파일로 내보내기 하고 ArcGIS Desktop ver.9.0을 이용하여 임의의 두 지점을 선정하여 그림 11과 같이 횡단면을 분석함으로써 해빈 경사도를 파악할 수 있었 다. 해안 침식 및 퇴적의 주요 관심 지역을 대 상으로 단면을 구성하거나 일정한 범위의 면적
및 체적을 산정함으로써 해빈 지형의 변화 상 태를 정량적으로 비교할 수 있을 것이다.
FIGURE 11. 임의 지점의 횡단면도 2. RTK-GPS 자료 분석
GPS 측량 자료는 Leica Geo Office ver.5.0 을 이용하여 그림 12와 같이 수신된 자료를 확 인하고 처리하였으며, 3차원 점 자료 형태로 만들어 ArcGIS Desktop ver.9.0에서 점 자료 로 그림 13과 같이 불러오기를 실행하였다. 또 한 그림 14와 같이 음영기복도로 표현하여 해 빈 모형을 완성할 수 있었다.
FIGURE 12. 관측된 GPS 원시 자료
FIGURE 13. RTK-GPS 측량점 자료
FIGURE 14. RTK-GPS 점 자료의 음영기복 도 표현
RTK-GPS 측량의 X, Y 및 높이값의 표준 편차는 6mm, 9mm 및 15mm로 나타났으며, 위치(X, Y) 및 높이값 성분의 표준편차에 대한 평균제곱근(RMS)은 그림 15와 같이 위치값
1.1cm, 높이 1.5cm의 내부 정확도로 나타났다.
단지 GPS 측량시 측점에 대한 정밀한 위치 선 정이 보다 더 요구되어지므로 이를 감안하면 해빈 지형의 양상을 파악하기에는 비교적 양호 한 성과라고 생각된다.
FIGURE 15. RTK-GPS 측량 결과의 정확도
비교 및 고찰
RTK-GPS 관측은 지상용 레이저 스캐너 작 업에 비하여 경제성이 양호하고 지상용 레이저 스캐너 측정시 철(凸)의 뒷부분 즉, 보여지지 않는 사각지대를 직접 관측할 수 있는 반면에, 대상점의 위치를 직접적으로 측량해야만 하므 로 측점 간격수의 밀도에 따라 시간이 비례하 여 소요되고, 조밀한 관측점의 분포가 이루어 져야만 매끄러운 지형 표면을 생성할 수 있다 는 애로점이 발생할 수 있다.
지상용 레이저 스캐너의 경우 수치 사진의 해상도를 고해상도로 성능을 향상시킨다면 지 형 피복시 보다 사실감을 더할 수 있을 것이 며, 경사가 심하거나 비접근 지형 등 측정이 불가한 대상물에 있어서는 편의성이 보장되어 효율적 방법이 될 수 있음을 알 수 있었다. 또 한 측정시 보여지지 않는 사각지대는 관측 지 점을 달리하여 보완 관측함으로써 3차원 모형 구현의 효과를 높힐 수 있을 것이다.
본 연구의 한계로서 지상용 레이저 스캐닝 자료가 지상 기준점과 연계되지 않은 임의 좌 표계로 설정된 관계로 RTK-GPS 측량자료와
동일 좌표계로 구축하지 못해 7개월 후의 해빈 량의 차이를 비교할 수는 없었다.
결 론
해안지형 자료 획득의 효율적인 대안으로서 지상용 레이저 스캐너와 RTK-GPS를 각각 적 용한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
해빈의 이동 및 변화를 측정하기 위해 기존 에 제시되어 왔던 해도, 수치지형도, 항공사진, 수준측량, 항공 LiDAR 등의 방법외에 지상용 레이저 스캐닝과 RTK-GPS 기법 또한 3차원 해빈모형 구축에 효율적임을 알 수 있었다.
동해안 해빈의 경우 항공 LiDAR를 이용하 는 방법이 이상적이지만, 군사적인 특수 상황 과 비용 및 촬영 여건 등을 고려해 볼 때 지상 레이저 스캐닝을 활용한 해빈 지역의 자료 획 득 기법이 공식적인 접근이 용이하고 원하는 시간대에 반복적으로 측정이 가능하므로 해빈 자료 추출의 대안으로 충분이 사용될 수 있다.
하지만 3차원 영상의 해빈 모형 표현을 위해서 본 지상용 레이저스캐너에 사용된 수치 사진의 화소수 및 해상도는 향상시킬 필요성이 있다.
소규모 지역이나 지상용 레이저 스캐닝을 사용할 수 없는 해빈의 경우는 RTK-GPS를 활용하여 신속하게 모형을 구축할 수 있다. 작 업상 많은 점을 직접 측정해야 하는 번거러움 이 발생되므로 시간적 지체를 줄일 수 있도록 이동성이 강화된 차량에 탑재하여 측정되는 체 계로 실시하면 비교적 작업 시간을 줄일 수 있 을 것이다.
국부적 및 일시적 변화가 발생하거나 예상 되는 해빈을 대상으로 지상 레이저 스캐닝과 RTK-GPS의 두 가지 방법을 연계하여 상호 보완적으로 해빈 자료를 획득한다면 해안 관리 를 위한 기초 자료 구축에 보다 효율적인 방법 이 될 수 있을 것이다. 또한 지리정보체계의 3 차원 입력 자료로 연계하여 활용할 수 있어 다 양한 공간 분석 방법으로 해안 지형 변화와 관
련하여 단면 및 모래의 이동 총량을 계산하여 모니터링할 수 있는 체계로 발전시킬 수 있을 것이다.
참고 문헌
